一种蜂窝折边式结构薄膜声学超材料的制作方法

本发明属于用于低频噪声控制的声学超材料技术领域，具体涉及一种蜂窝折边式结构薄膜声学超材料。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，船舶的高速化、大型化及轻质化使得振动和噪声问题比过去更加突出。板、加筋板等结构大量应用于船舶结构当中，在机械外力激励作用下，产生振动，从而引起辐射噪声。振动不但会损害工程结构并影响其寿命，降低仪器、仪表的灵敏度，而且过大的辐射噪声也很容易被敌方探测发现，影响船体自身声纳系统的作用距离和精度，降低船舶自身的隐身性能，同时对船上工作人员工作生活环境的舒适性也有很大的影响。所以，抑制船舶结构的振动，控制结构的噪声逐渐成为人们最为关注的问题之一。

传统隔声材料由于遵循质量作用定律，在噪声频率较高、材料厚度较大时，才有较大的隔声量。要实现对低频噪声的有效隔离往往以增加材料重量为代价，在很多场合下是不适用的。为了突破质量作用定律的限制，声学超材料成为人们关注的焦点。

薄膜型声学超材料是一种新型人工复合材料，具有质量轻、体积小和布置灵活等优点，在低频范围内表现出了良好的隔声性能。本发明结合传统的薄膜型声学超材料，设计了一种带薄膜结构的蜂窝折边式声学超材料。

声学超材料是一种具有负等效特性的周期性亚波长结构组成的复合材料，通过对其材料、结构属性进行优化，可以在低频范围内表现优异的隔声性能。本发明基于传统的声学超材料，引入角度可调的折边式结构，设计出一种蜂窝折边式结构的薄膜声学超材料。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前船舶领域低频噪声难以有效隔离的问题。我们设计了一种蜂窝折边式结构的薄膜声学超材料，框架基体采用折边设计，角度可调，加入薄膜结构可以实现低频范围内良好的隔声效果。

本发明的技术方案是：

一种蜂窝折边式结构的薄膜声学超材料，其结构单元由薄膜和折边形式的蜂窝结构组合而成；薄膜声学超材料通过改变折边角度来调节隔声峰对应的频率向低频移动；

薄膜在高度方向将折边蜂窝空腔从中间划分为上下两部分；上层结构为第一单元，下层结构为第二单元，薄膜为第三单元，薄膜位于第一单元和第二单元之间；

此结构中，蜂窝正六边形结构基体材料为碳纤维或树脂，蜂窝正六边形的边长为a，厚度为t1，折边角度为α，折边长度为b，第一单元高度为h1，第二单元高度为h2，薄膜厚度为t2，折边数为n；

此结构中，具体尺寸参数可调，根据隔声的具体要求进行调节，以满足不同环境下的隔声需求。

上述方案中，薄膜可为硅胶，尼龙等材质，粘贴在第一单元与第二单元之间，厚度、薄膜预应力可根据具体要求进行设置。

上述方案中，平面声波垂直入射到薄膜表面。

上述方案中，所述声学超材料的制备工艺为：框架结构可通过3d打印等方式获得，薄膜施加预应力后与框架结构之间用胶水进行粘结。施加质量块的模型，质量块粘贴在薄膜单元中心。

本发明的有益效果：

(1)本发明设计的一种带薄膜结构的蜂窝折边式声学超材料，其六边形蜂窝框架结构可采用轻质的碳纤维、树脂等材料，与传统的金属材料相比，其结构重量轻，而且可以满足整个结构的强度设计要求。

(2)利用声波与弹性薄膜、空腔结构在不同频率下引起的共振，可以实现低频范围内有效的隔声效果。

(3)通过调整结构单元的参数，当薄膜厚度为0.4mm，折边数n＝12，折边长度b＝5mm，高度h1＝h2＝21.21mm，折边角度α＝45°，薄膜预应力为500n/m时，经发明人测试，该声学超材料结构在320hz时最大隔声量可以达到68db，并在50-800hz频带范围内平均隔声量达到了31db；在薄膜单元加质量块之后，隔声频带范围内，出现了两个隔声峰，第一隔声峰与第二隔声峰均向低频移动。在295hz时，最大隔声量达到76db，在50-1600hz频带范围内平均隔声量达到32db(如图13所示)。

(4)该声学超材料还可以通过改变结构参数和材料参数，改变隔声峰的位置，进而调节和改善结构的隔声效果。

(5)本发明所述声学超材料单个单元结构就可以达到低频控制目的，可通过单胞结构的周期性排列(如图1所示)，满足现场实际的尺寸需求，无须繁杂的堆叠，提高了结构布置效率和结构的整体稳定性。可广泛应用于船舶中的工程结构和设备等领域。

附图说明

图1为该设计一实施例多胞元结构轴测图。

图2为该设计一实施例多胞元结构俯视图。

图3为该设计一实施例多胞元结构加质量块后的俯视图。

图4为该设计一实施例单胞结构的主视图及其尺寸。

图5为该设计一实施例单胞结构加质量块之后的主视图及其尺寸。

图6为该设计一实施例单胞结构俯视图及其尺寸。

图7为该设计一实施例多胞结构侧视图。

图8为该设计一实施例单胞结构的框架轴侧图。

图9为与该设计一实施例单胞结构对比的直边模型图。

图10为该设计一实施例单胞结构在comsolmultiphysics5.4中的有限元单胞仿真模型图。

图11为该设计一实施例单胞结构加质量块后在comsolmultiphysics5.4中的有限元单胞仿真模型图。

图12为该设计一实施例单胞结构在薄膜厚度为0.4mm，折边数n＝12，折边长度b＝5mm，高度h1＝h2＝21.21mm，折边角度α＝45°，薄膜预应力为500n/m时的隔声量曲线图。

图13为图12所述该设计一实施例单胞结构在保持参数不变，施加质量块后的隔声量对比图。

图14为图12所述该设计一实施例与图9所述直边模型的隔声量对比图。

图15为图12所述该设计一实施例单胞结构在保持其他参数不变，折边角度α＝20°、30°、45°时的隔声量对比图。

图中：1上层结构；2薄膜；3下层结构；4完美匹配层；5背景压力场；6压力声学域；7压力声学域；8质量块；9压力声学域。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1所示为本发明所述一种蜂窝折边式结构的薄膜声学超材料的一种实施方式。

本发明是在可变角度的折边框架结构基础上增加一层薄膜，利用声波与空腔和薄膜产生共振，从而在低频范围内实现良好的隔声效果。

图1为所述声学超材料的一种多胞元的结构，包括上部框架1、中间薄膜2和下部框架3。

图2为所述声学超材料多胞元结构的俯视图，其剖面为边长为a的正六边形。

图3为所述声学超材料在单胞结构薄膜中心加质量块之后的多胞元模型的俯视图。

图4为所述声学超材料的一种单胞结构主视图，可进行周期性的排列，组成图1所示的多胞元结构图；由图所示，模型单胞结构上部框架高度为h1，下部框架高度为h2，薄膜厚度为t2，总高度为h1+h2+t2，折边边长为b，结构壁厚为t1，折边角度为α；具体尺寸皆可根据实际隔声要求进行调节。

图5为所述声学超材料的一种单胞结构在薄膜中心施加质量块之后的主视图，可进行周期性的排列，组成图3所示的多胞元结构图。结构尺寸与图4所述相同，质量块高度为h3。

图6为所述声学超材料单胞结构俯视图，其剖面为正六边形，边长为a。

图7为所述声学超材料多胞结构侧视图，其高度尺寸与图4所述相同，可以清晰的看出其结构的折边形式。

图8为所述声学超材料单胞结构的三维轴测图。

图9为与所述声学超材料单胞结构对比的直边模型的侧视图，其结构尺寸与图4所述相同，仅将折边形式改成直边形式。

图10为所述声学超材料单胞结构仿真模型图。

为了进一步理解本发明，对图10所描述的仿真模型进行有限元仿真研究，以获取其隔声特性。

作为非限制性的实例，本发明的该仿真模型优选的几何参数为：a＝10mm,t1＝1.6mm,h1＝h2＝21.21mm,t2＝0.4mm，n＝12,α＝45°。框架结构的材料为碳纤维[弹性模量e＝50×10⁹pa；泊松比0.31；密度ρ＝1800kg/m³]，薄膜为硅橡胶薄膜[弹性模量e＝2×10⁵pa；泊松比0.49；密度ρ＝1200kg/m³]。

在大型商业软件comsolmultiphysics5.4中的“声-固耦合，频率”模块进行计算。其中1、3为固体力学域，2为薄膜域，4为完美匹配层，5为背景压力场，6、7、9均为压力声学域；将该模型的边界条件设置为周期性边界条件，以准确模拟该型声学超材料的实际大小和安装条件。

对不同的几何域设置不同的物理场模块，其中空气域设置为压力声学模块，框架结构设置为固体力学模块，薄膜域使用膜单元进行处理。所以该声学超材料的有限元模型主要包括四种类型的单元：

1)空气层组成的流体单元；

2)框架结构组成的固体单元；

3)薄膜结构组成的非线性单元；

4)流体与结构(包括薄膜)在界面处的流固耦合单元。

设置了不同的物理场，该有限元软件会自动将不同的物理场进行耦合计算。

当平面声波从背景压力场垂直入射进入框架空腔结构，经过薄膜域，一部分声波反射回来被完美匹配层吸收，一部分声波透过薄膜继续往前传播，直至被另一侧的完美匹配层吸收掉。完美匹配层消除了边界反射对计算结果的影响，使得计算结果更加准确。

该过程中，设入射声压、反射声压和透射声压分别为pi，pr和pt，对入射面和出射面分别进行积分，如下式1、2所示；计算可得该声学超材料的法向入射传递损失stl，如下式3所示：

其中win为入射声能，wout为透射声能；ρ0是常温下空气的密度；c0是常温下，声波在空气中传播速度，ρ0c0为常温下空气的特性阻抗，为415n·s/m³。

定义背景压力场入射声压幅值为1pa，频率扫描范围为50-1600hz，计算步长为5hz。由于薄膜的存在，使用几何非线性分析，可得该模型在该频段范围内的隔声量曲线图如图12所示。

由图12可知，在频率为320hz左右时，隔声量曲线出现峰值，最大隔声量达到68db；在整个隔声频段50-800hz范围内，平均隔声量达到了31db，实现了低频范围内良好的隔声效果。

图11所示为本发明所述一种蜂窝折边式结构的薄膜声学超材料，在薄膜中心加质量块之后的仿真模型。质量块的直径5mm，高度h3＝2mm，质量为0.3g，材质为钕铁硼磁铁[弹性模量e＝1.6×10¹¹pa；泊松比0.28；密度ρ＝7400kg/m³]。仿真步骤与图10所述相同，质量块为域8，设置为固体力学域。仿真所得隔声量曲线如图13中曲线所示。

由图13可知，施加质量块后，隔声峰峰值升高，第二隔声峰向低频移动明显，第一隔声峰向低频移动幅度较小，主要是因为第一隔声峰为声波与空腔的共振引起的，施加质量块对其影响很小。而第二隔声峰为声波与薄膜共振引起的，施加质量块后，质量块对薄膜的第一共振模态有很大的影响，由可知，施加质量块后，质量增加，频率向低频移动。在865hz附近，隔声量达到74db。

图14探究了该设计声学超材料在折边角度α＝45°时与其直边对比模型计算所得的隔声量对比图。由图所示，两模型隔声量曲线走势基本一致，隔声峰频率分别出现在320hz与345hz。与直边模型相比，本发明所述折边结构比普通直边结构第一个隔声峰往低频移动了25hz，由更好的低频隔声性能。

图15探究了该设计声学超材料在保持其他结构参数不变，仅仅改变折边角度α的情况下，研究折边角度α对该设计声学超材料隔声量的影响。在由图可知，在α由20°向45°增加的过程中，隔声峰逐渐往低频移动，在α＝30°时，隔声量略高于其他两个角度；在α＝45°时，隔声量所对应的频率最低，低频隔声效果最好。

本发明设计的蜂窝折边式结构的薄膜声学超材料，可用于替代低频隔声效果不佳的传统材料。通过折边式的设计，可实现低频隔声效果好，结构参数可调，隔声峰值可调等优点。该结构可用于舰船设备中，对低频噪声的降低、隔离和控制，服务于船舶与海洋工程中的高端制造业。

上述所述为优选的实施例，不能作为本发明的全部范围，在以本发明所述声学超材料结构为基准做任何明显的改进或者是简单的变化均属于本发明的专利附属范围内。

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